Народився 11 лютого 1965 у селі Весела Долина, Тарутинський район, Одеська область.
Закінчив Орджоникідзівське вище військове Червонопрапорне командне училище МВС СРСР ім. С. М. Кірова, Військову академію Збройних Сил України.
У 2003 захистив дисертацію кандидата педагогічних наук на тему «Педагогічні умови формування умінь командира підрозділу у майбутніх офіцерів МВС України».
У 2018 році захистив дисертацію доктора наук з державного управління на тему «Уніфікація механізмів державного управління реформуванням Збройних сил України в умовах трансформаційного суспільства» у Національному університеті цивільного захисту України.
На військовій службі з серпня 1983. Службу проходив на посадах: командира взводу, роти, начальника штабу батальйону, командира батальйону, полку, бригади. З посади начальника управління бойової та спеціальної підготовки внутрішніх військ МВС України у березні 2002 призначений начальником Академії внутрішніх військ МВС України.
21 серпня 2007 надано військове звання генерал-лейтенанта
28 лютого 2014 — указом в.о. Президента України Олександра Турчинова № 171/2014 призначений командувачем Внутрішніх військ МВС України.
15 квітня 2014 — Верховна Рада України призначила Степана Полторака командувачем Національної гвардії України.
23 серпня 2014 надано військове звання генерал-полковника.
14 жовтня 2014 — Верховна Рада призначила Степана Полторака міністром оборони. За це проголосували 245 депутатів.
Від 27 жовтня 2014 року — член РНБО.
14 квітня 2016 року Верховна Рада України призначила новий склад Кабінету Міністрів України (уряд Гройсмана), у складі якого Степан Полторак перепризначений на посаду міністра оборони України.
13 жовтня 2018 року Президент України Петро Порошенко повідомив, що задовольнив рапорт генерала армії С. Полторака про звільнення з військової служби, і що він і надалі очолюватиме Міністерство оборони, — відповідно до вимог закону України «Про національну безпеку України» з 1 січня 2019 року посаду Міністра оборони України має посідати цивільна особа.
20 травня 2019 року міністр оборони Степан Полторак написав заяву про відставку. 6 червня 2019 року Верховна Рада не підтримала відставку міністра оборони Степана Полторака.
29 серпня 2019 року Кабінет міністрів України на чолі з прем'єром Володимиром Гройсманом склав повноваження перед новообраною Верховною Радою ІХ скликання на першому засіданні.
Генерал-лейтенант. Заслужений працівник освіти України (2009). Професор кандидат педагогічних наук. Нагороджений Орденом Богдана Хмельницького І та ІІІ ступеня, медаллю "За бойові заслуги". Почесний громадянин Харкова.
Орден Богдана Хмельницького І ступеня; Орден Богдана Хмельницького II ступеня; Орден Богдана Хмельницького III ступеня; Медаль «За бездоганну службу» III ступеня; Медаль «Захиснику Вітчизни»; Медаль Жукова; Медаль «За бойові заслуги»; Медаль «70 років Збройних Сил СРСР»; Медаль «За бездоганну службу» III ст.
02.09.2019